Original da revista Nature
James Johnson espera dirigir um carro novamente um dia. Se o fizer, ele o fará usando apenas seus pensamentos.
Em março de 2017, Johnson quebrou o pescoço em um acidente de kart, deixando-o quase completamente paralisado abaixo dos ombros. Ele entendia sua nova realidade melhor do que a maioria. Durante décadas, ele foi cuidador de pessoas com paralisia. “Houve uma depressão profunda”, diz ele. “Eu pensei que quando isso aconteceu comigo não havia nada – nada que eu pudesse fazer ou dar.”
Mas então a equipe de reabilitação de Johnson o apresentou a pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) em Pasadena, que o convidou para participar de um ensaio clínico de uma interface cérebro-computador (BCI). Isso implicaria primeiro em neurocirurgia para implantar duas grades de eletrodos em seu córtex. Esses eletrodos registrariam neurônios em seu cérebro enquanto eles disparavam, e os pesquisadores usariam algoritmos para decodificar seus pensamentos e intenções. O sistema então usaria a atividade cerebral de Johnson para operar aplicativos de computador ou para mover um dispositivo protético. Ao todo, levaria anos e exigiria centenas de sessões de treinamento intensivo. “Eu realmente não hesitei”, diz Johnson.
Na primeira vez que usou seu BCI, implantado em novembro de 2018, Johnson moveu um cursor pela tela do computador. “Parecia Matrix ”, diz ele. “Nós nos conectamos ao computador e eis que consegui mover o cursor apenas pensando.”
Johnson, desde então, usou o BCI para controlar um braço robótico, usar o software Photoshop, jogar videogames ‘shoot-‘em-up’ e agora dirigir um carro simulado através de um ambiente virtual, mudando a velocidade, dirigindo e reagindo a perigos. “Sempre fico impressionado com o que somos capazes de fazer”, diz ele, “e é incrível.”
Johnson é uma das cerca de 35 pessoas que tiveram um BCI implantado a longo prazo em seu cérebro. Apenas cerca de uma dúzia de laboratórios realizam esse tipo de pesquisa, mas esse número está crescendo. E nos últimos cinco anos, a gama de habilidades que esses dispositivos podem restaurar se expandiu enormemente. Somente no ano passado, os cientistas descreveram um participante do estudo usando um braço robótico que poderia enviar feedback sensorial diretamente para seu cérebro 1 ; um dispositivo de fala protético para alguém que ficou impossibilitado de falar por causa de um acidente vascular cerebral ; e uma pessoa capaz de se comunicar em velocidade recorde, imaginando-se caligrafia .
Até agora, a grande maioria dos implantes para registro de longo prazo de neurônios individuais foi feita por uma única empresa: Blackrock Neurotech, desenvolvedora de dispositivos médicos com sede em Salt Lake City, Utah. Mas nos últimos sete anos, o interesse comercial em BCIs aumentou. Mais notavelmente, em 2016, o empresário Elon Musk lançou o Neuralink em San Francisco, Califórnia, com o objetivo de conectar humanos e computadores. A empresa arrecadou US$ 363 milhões. No ano passado, a Blackrock Neurotech e várias outras empresas BCI mais recentes também atraíram grande apoio financeiro.
Levar um BCI ao mercado, no entanto, implicará transformar uma tecnologia sob medida, testada em estrada em apenas um pequeno número de pessoas, em um produto que pode ser fabricado, implantado e usado em escala. Grandes testes precisarão mostrar que os BCIs podem funcionar em ambientes que não são de pesquisa e melhorar comprovadamente a vida cotidiana dos usuários – a preços que o mercado pode suportar. O cronograma para alcançar tudo isso é incerto, mas o campo é otimista. “Por milhares de anos, procuramos uma maneira de curar pessoas com paralisia”, diz Matt Angle, executivo-chefe fundador da Paradromics, uma empresa de neurotecnologia em Austin, Texas. “Agora, na verdade, estamos prestes a ter tecnologias que podemos aproveitar para essas coisas.”
Evolução da interface
Em junho de 2004, pesquisadores pressionaram uma grade de eletrodos no córtex motor de um homem paralisado por uma facada. Ele foi a primeira pessoa a receber um implante BCI de longo prazo. Como a maioria das pessoas que receberam BCIs desde então, sua cognição estava intacta. Podia se imaginar em movimento, mas havia perdido as vias neurais entre o córtex motor e os músculos. Após décadas de trabalho em muitos laboratórios em macacos, os pesquisadores aprenderam a decodificar os movimentos dos animais a partir de registros em tempo real da atividade no córtex motor. Eles agora esperavam inferir os movimentos imaginados de uma pessoa a partir da atividade cerebral na mesma região.
Em 2006, um artigo histórico 4 descreveu como o homem aprendeu a mover um cursor pela tela de um computador, controlar uma televisão e usar braços e mãos robóticas apenas pensando. O estudo foi co-liderado por Leigh Hochberg, neurocientista e neurologista de cuidados intensivos da Brown University em Providence, Rhode Island, e do Massachusetts General Hospital, em Boston. Foi o primeiro de um conjunto multicêntrico de testes chamado BrainGate, que continua até hoje.
“Foi uma demonstração muito simples e rudimentar”, diz Hochberg. “Os movimentos eram lentos ou imprecisos – ou ambos. Mas demonstrou que pode ser possível gravar a partir do córtex de alguém incapaz de se mover e permitir que essa pessoa controle um dispositivo externo”.
Os usuários de BCI de hoje têm um controle muito mais preciso e acesso a uma ampla gama de habilidades. Em parte, isso ocorre porque os pesquisadores começaram a implantar vários BCIs em diferentes áreas do cérebro do usuário e criaram novas maneiras de identificar sinais úteis. Mas Hochberg diz que o maior impulso veio do aprendizado de máquina, que melhorou a capacidade de decodificar a atividade neural. Em vez de tentar entender o que os padrões de atividade significam, o aprendizado de máquina simplesmente identifica e vincula os padrões à intenção do usuário.
“Temos informações neurais; sabemos o que a pessoa que está gerando os dados neurais está tentando fazer; e estamos pedindo aos algoritmos que criem um mapa entre os dois”, diz Hochberg. “Isso acaba sendo uma técnica notavelmente poderosa.”
Independência motora
Questionados sobre o que querem da neurotecnologia assistiva, as pessoas com paralisia costumam responder “independência”. Para pessoas que não conseguem mover seus membros, isso normalmente significa restaurar o movimento.
Uma abordagem é implantar eletrodos que estimulam diretamente os músculos dos membros de uma pessoa e fazer com que o BCI os controle diretamente. “Se você pode capturar os sinais corticais nativos relacionados ao controle dos movimentos das mãos, você pode essencialmente contornar a lesão da medula espinhal para ir diretamente do cérebro para a periferia”, diz Bolu Ajiboye, neurocientista da Case Western Reserve University em Cleveland, Ohio.
Em 2017, Ajiboye e seus colegas descreveram um participante que usou esse sistema para realizar movimentos complexos do braço, incluindo beber uma xícara de café e se alimentar. “Quando ele começou o estudo”, diz Ajiboye, “ele teve que pensar muito sobre seu braço se movendo do ponto A para o ponto B. Mas à medida que ganhava mais treinamento, ele podia apenas pensar em mover o braço e ele se movia. ” O participante também recuperou a sensação de posse do braço.Os dispositivos de leitura da mente que podem libertar músculos paralisados
Ajiboye agora está expandindo o repertório de sinais de comando que seu sistema pode decodificar, como aqueles para força de preensão. Ele também quer dar aos usuários do BCI uma sensação de toque, um objetivo perseguido por vários laboratórios.
Em 2015, uma equipe liderada pelo neurocientista Robert Gaunt, da Universidade de Pittsburgh, na Pensilvânia, relatou a implantação de uma matriz de eletrodos na região da mão do córtex somatossensorial de uma pessoa, onde as informações do toque são processadas . Quando eles usaram os eletrodos para estimular os neurônios, a pessoa sentiu algo semelhante a ser tocada.
Gaunt então juntou forças com a colega de Pittsburgh Jennifer Collinger, uma neurocientista que promove o controle de braços robóticos por BCIs. Juntos, eles confeccionaram um braço robótico com sensores de pressão embutidos na ponta dos dedos, que alimentavam eletrodos implantados no córtex somatossensorial para evocar uma sensação sintética de toque 1 . Não era um sentimento totalmente natural – às vezes parecia pressão ou ser cutucado, outras vezes era mais como um zumbido, explica Gaunt. No entanto, o feedback tátil fez com que a prótese parecesse muito mais natural de usar, e o tempo necessário para pegar um objeto foi reduzido pela metade, de aproximadamente 20 segundos para 10.
Implantar matrizes em regiões do cérebro que têm diferentes funções pode adicionar nuances ao movimento de outras maneiras. O neurocientista Richard Andersen – que está liderando o teste no Caltech do qual Johnson está participando – está tentando decodificar os objetivos mais abstratos dos usuários tocando no córtex parietal posterior (PPC), que forma a intenção ou plano de se mover 7 . Ou seja, pode codificar o pensamento ‘quero uma bebida’, enquanto o córtex motor direciona a mão para o café e depois leva o café à boca.
O grupo de Andersen está explorando como essa entrada dupla ajuda no desempenho do BCI, contrastando o uso das duas regiões corticais sozinhas ou juntas. Resultados inéditos mostram que as intenções de Johnson podem ser decodificadas mais rapidamente no PPC, “consistente com a codificação do objetivo do movimento”, diz Tyson Aflalo, pesquisador sênior do laboratório de Andersen. A atividade do córtex motor, ao contrário, dura todo o movimento, diz ele, “tornando a trajetória menos agitada”.
Esse novo tipo de entrada neural está ajudando Johnson e outros a expandir o que podem fazer. Johnson usa o simulador de direção e outro participante pode tocar um piano virtual usando seu BCI.
Movimento em sentido
“Um dos resultados mais devastadores relacionados a lesões cerebrais é a perda da capacidade de comunicação”, diz Edward Chang, neurocirurgião e neurocientista da Universidade da Califórnia, em San Francisco. No trabalho inicial do BCI, os participantes podiam mover um cursor pela tela do computador imaginando sua mão se movendo e, em seguida, imaginando agarrar para ‘clicar’ letras – oferecendo uma maneira de alcançar a comunicação. Mas, mais recentemente, Chang e outros fizeram progressos rápidos visando movimentos que as pessoas usam naturalmente para se expressar.
A referência para comunicação por controle de cursor – cerca de 40 caracteres por minuto – foi estabelecida em 2017 por uma equipe liderada por Krishna Shenoy, neurocientista da Universidade de Stanford, na Califórnia.
Então, no ano passado, esse grupo relatou uma abordagem que permitiu ao participante do estudo Dennis Degray, que pode falar, mas está paralisado do pescoço para baixo, dobrar o ritmo.
O colega de Shenoy, Frank Willett, sugeriu a Degray que ele imaginasse a escrita à mão enquanto gravavam de seu córtex motor (veja ‘Transformando pensamentos em tipos’). O sistema às vezes se esforçava para analisar sinais relacionados a letras escritas à mão de maneira semelhante, como r, n e h, mas geralmente conseguia distinguir facilmente as letras. Os algoritmos de decodificação foram 95% precisos na linha de base, mas quando corrigidos automaticamente usando modelos de linguagem estatística semelhantes ao texto preditivo em smartphones, isso saltou para 99%.
“Você pode decodificar movimentos muito rápidos e muito finos”, diz Shenoy, “e você pode fazer isso a 90 caracteres por minuto”.
Degray teve um BCI funcional em seu cérebro por quase 6 anos e é um veterano de 18 estudos do grupo de Shenoy. Ele diz que é notável como as tarefas se tornam fáceis. Ele compara o processo a aprender a nadar, dizendo: “Você se debate muito no começo, mas, de repente, tudo se torna compreensível”.
A abordagem de Chang para restaurar a comunicação concentra-se em falar em vez de escrever, embora usando um princípio semelhante. Assim como a escrita é formada por letras distintas, a fala é formada por unidades discretas chamadas fonemas, ou sons individuais. Existem cerca de 50 fonemas em inglês, e cada um é criado por um movimento estereotipado do trato vocal, língua e lábios.
O grupo de Chang trabalhou pela primeira vez na caracterização da parte do cérebro que gera fonemas e, assim, fala – uma região mal definida chamada córtex laríngeo dorsal. Em seguida, os pesquisadores aplicaram esses insights para criar um sistema de decodificação de fala que exibia a fala pretendida do usuário como texto em uma tela. No ano passado, eles relataram 2 que esse dispositivo permitia que uma pessoa incapaz de falar por um derrame cerebral se comunicasse, usando um vocabulário pré-selecionado de 50 palavras e a uma taxa de 15 palavras por minuto. “A coisa mais importante que aprendemos”, diz Chang, “é que não é mais uma teoria; é realmente possível decodificar palavras completas.”
Ao contrário de outros avanços importantes da BCI, Chang não gravou de neurônios únicos. Em vez disso, ele usou eletrodos colocados na superfície cortical que detectam a atividade média das populações neuronais. Os sinais não são tão refinados quanto os de eletrodos implantados no córtex, mas a abordagem é menos invasiva.
A perda mais profunda de comunicação ocorre em pessoas em um estado completamente fechado, que permanecem conscientes, mas são incapazes de falar ou se mover. Em março, uma equipe que incluía o neurocientista Ujwal Chaudhary e outros da Universidade de Tübingen, na Alemanha, relatou reiniciando a comunicação com um homem que tem esclerose lateral amiotrófica (ELA, ou doença do neurônio motor). O homem já havia confiado nos movimentos dos olhos para se comunicar, mas gradualmente perdeu a capacidade de mover os olhos.
A equipe de pesquisadores obteve o consentimento da família do homem para implantar um BCI e tentou pedir que ele imaginasse movimentos para usar sua atividade cerebral para escolher letras em uma tela. Quando isso falhou, eles tentaram tocar um som que imitava a atividade cerebral do homem – um tom mais alto para mais atividade, mais baixo para menos – e o ensinaram a modular sua atividade neural para aumentar o tom de um tom para sinalizar “sim” e diminuir -lo para ‘não’. Esse arranjo permitia que ele escolhesse uma carta a cada minuto.
O método difere daquele de um artigo publicado em 2017, no qual Chaudhary e outros usaram uma técnica não invasiva para ler a atividade cerebral. Questões foram levantadas sobre o trabalho e o artigo foi retirado, mas Chaudhary o mantém.
Esses estudos de caso sugerem que o campo está amadurecendo rapidamente, diz Amy Orsborn, que pesquisa BCIs em primatas não humanos na Universidade de Washington em Seattle. “Houve um aumento notável no número de estudos clínicos e nos saltos que eles estão dando no espaço clínico”, diz ela. “O que vem junto é o interesse industrial”.
Laboratório para mercado
Embora essas conquistas tenham atraído muita atenção da mídia e dos investidores, o campo ainda está longe de melhorar a vida cotidiana das pessoas que perderam a capacidade de se mover ou falar. Atualmente, os participantes do estudo operam BCIs em sessões breves e intensivas; quase todos devem ser fisicamente conectados a um banco de computadores e supervisionados por uma equipe de cientistas trabalhando constantemente para aprimorar e recalibrar os decodificadores e software associado. “O que eu quero”, diz Hochberg, falando como neurologista de cuidados intensivos, “é um dispositivo que esteja disponível, que possa ser prescrito, que esteja ‘fora da prateleira’ e possa ser usado rapidamente”. Além disso, esses dispositivos idealmente durariam a vida inteira dos usuários.Como uma técnica revolucionária fez com que as pessoas com lesões na medula espinhal voltassem a ficar de pé
Muitos acadêmicos importantes agora estão colaborando com empresas para desenvolver dispositivos comercializáveis. Chaudhary, por outro lado, co-fundou uma empresa sem fins lucrativos, a ALS Voice, em Tübingen, para desenvolver neurotecnologias para pessoas em um estado completamente fechado.
Os dispositivos existentes da Blackrock Neurotech têm sido um dos pilares da pesquisa clínica há 18 anos, e ela quer comercializar um sistema BCI dentro de um ano, de acordo com o presidente Florian Solzbacher. A empresa deu um passo mais perto em novembro passado, quando a Food and Drug Administration (FDA) dos EUA, que regula os dispositivos médicos, colocou os produtos da empresa em um processo de revisão rápido para facilitar o desenvolvimento comercial deles.
Este possível primeiro produto usaria quatro matrizes implantadas e se conectaria por meio de fios a um dispositivo miniaturizado, que Solzbacher espera que mostre como a vida das pessoas pode ser melhorada. “Não estamos falando de uma melhora de 5, 10 ou 30% na eficácia”, diz ele. “As pessoas podem fazer algo que simplesmente não podiam antes.”
A Blackrock Neurotech também está desenvolvendo um BCI sem fio totalmente implantável destinado a ser mais fácil de usar e eliminar a necessidade de ter uma porta no crânio do usuário. A Neuralink e a Paradromics pretenderam ter esses recursos desde o início nos dispositivos que estão desenvolvendo.
Essas duas empresas também pretendem aumentar a largura de banda do sinal, o que deve melhorar o desempenho do dispositivo, aumentando o número de neurônios registrados. A interface do Paradromics — atualmente em teste em ovelhas — possui 1.600 canais, divididos em 4 módulos.
O sistema da Neuralink usa eletrodos muito finos e flexíveis, chamados de fios, que são projetados para dobrar com o cérebro e reduzir reações imunológicas, diz Shenoy, que é consultor e conselheiro da empresa. O objetivo é tornar o dispositivo mais durável e as gravações mais estáveis. A Neuralink não publicou nenhum artigo revisado por pares, mas uma postagem no blog de 2021 relatou a implantação bem-sucedida de threads no cérebro de um macaco para gravar em 1.024 sites. Os acadêmicos gostariam de ver a tecnologia publicada para exame completo, e a Neuralink até agora testou seu sistema apenas em animais. Mas, Ajiboye diz, “se o que eles estão alegando é verdade, é um divisor de águas”.
Apenas uma outra empresa, além da Blackrock Neurotech, implantou um BCI de longo prazo em humanos – e pode ser uma venda mais fácil do que outras matrizes. Synchron em Nova York desenvolveu um ‘stentrode’ – um conjunto de 16 eletrodos formados em torno de um stent de vaso sanguíneo 11 . Instalado em um dia em ambiente ambulatorial, este dispositivo é enfiado através da veia jugular até uma veia no topo do córtex motor. Implantada pela primeira vez em uma pessoa com ELA em agosto de 2019, a tecnologia foi colocada em um caminho de revisão rápida pela FDA um ano depois.
Semelhante aos eletrodos que Chang usa, o stentrode não tem a resolução de outros implantes, então não pode ser usado para controlar próteses complexas. Mas permite que pessoas que não podem se mover ou falar controlem um cursor em um tablet de computador e, assim, enviem mensagens de texto, naveguem na Internet e controlem tecnologias conectadas.
O cofundador da Synchron, o neurologista Thomas Oxley, diz que a empresa está agora enviando os resultados de um teste de viabilidade de quatro pessoas para publicação, no qual os participantes usaram o dispositivo sem fio em casa sempre que quisessem. “Não há nada saindo do corpo. E está sempre funcionando”, diz Oxley. O próximo passo antes de solicitar a aprovação da FDA, diz ele, é um teste em larga escala para avaliar se o dispositivo melhora significativamente a funcionalidade e a qualidade de vida.
Desafios adiante
A maioria dos pesquisadores que trabalham com BCIs são realistas sobre os desafios que enfrentam. “Se você der um passo para trás, é realmente mais complicado do que qualquer outro dispositivo neurológico já construído”, diz Shenoy. “Provavelmente haverá alguns anos de crescimento difícil para amadurecer ainda mais a tecnologia.”
Orsborn enfatiza que os dispositivos comerciais terão que funcionar sem supervisão especializada por meses ou anos – e que eles precisam funcionar igualmente bem em todos os usuários. Ela antecipa que os avanços no aprendizado de máquina abordarão o primeiro problema, fornecendo etapas de recalibração para os usuários implementarem. Mas alcançar um desempenho consistente entre os usuários pode representar um desafio maior.
“A variabilidade de pessoa para pessoa é aquela em que acho que não sabemos qual é o escopo do problema”, diz Orsborn. Em primatas não humanos, mesmo pequenas variações no posicionamento dos eletrodos podem afetar quais circuitos são grampeados. Ela suspeita que também existam idiossincrasias importantes em exatamente como diferentes indivíduos pensam e aprendem – e as maneiras pelas quais os cérebros dos usuários foram afetados por suas várias condições.
Finalmente, há um amplo reconhecimento de que a supervisão ética deve acompanhar essa tecnologia em rápida evolução. As BCIs apresentam múltiplas preocupações, desde a privacidade até a autonomia pessoal. Os especialistas em ética enfatizam que os usuários devem manter o controle total das saídas dos dispositivos. E embora as tecnologias atuais não possam decodificar os pensamentos privados das pessoas, os desenvolvedores terão registros de todas as comunicações dos usuários e dados cruciais sobre a saúde do cérebro. Além disso, as BCIs apresentam um novo tipo de risco de segurança cibernética.
Também existe o risco para os participantes de que seus dispositivos não sejam suportados para sempre ou que as empresas que os fabricam dobrem. Já existem casos em que os usuários foram decepcionados quando seus dispositivos implantados foram deixados sem suporte.
Degray, no entanto, está ansioso para ver as BCIs alcançarem mais pessoas. O que ele mais gostaria da tecnologia assistiva é poder coçar a sobrancelha, diz ele. “Todo mundo olha para mim na cadeira e sempre diz: ‘Ah, aquele coitado, ele não pode mais jogar golfe.’ Isso é ruim. Mas o verdadeiro terror está no meio da noite quando uma aranha passa pelo seu rosto. Essa é a coisa ruim.”
Para Johnson, trata-se de conexão humana e feedback tátil; um abraço de um ente querido. “Se pudermos mapear os neurônios responsáveis por isso e, de alguma forma, filtrá-los em um dispositivo protético algum dia no futuro, ficarei satisfeito com meus esforços nesses estudos”.
